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1、土壤中铜污染及其超富集植物的修复作用目 录2 3 41研究背景|土壤铜污染现状|土壤铜污染修复方法|超富集植物修复作用|15 |总结与展望1 研究背景21.1 铜的物理性质熔 点 1083.4沸 点密 度25678.960g/cm铜单质在常温下呈现（紫）红色铜的延展性好，1g的铜可以拉成3000m长的细丝，或压成 10多平方米几乎透明的铜箔导热性和导电性高 铜合金机械性能优异，电阻率很低，仅次于银，但比银要 便宜得多1.2 铜的化学性质原子序数元素符号摩尔质量29CU63.5g/mol常见化合价为 +1 CuCl、Cu2O、Cu2S +2 CuCl2、CuSO4、Cu2(OH)2CO31.3
2、铜的常见用途电器和电子市场：电线、母线、变压器绕 组、重型马达工业机器和设备：工业阀门和配件、 仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵 等国防工业：用以制造子弹、炮弹、枪炮零件轻工业：钟表机芯、造纸机的网布、 辊轮、印刷铜版农业生活：波尔多液、泳池消毒剂1.4 铜对人体健康的影响铜对于血液、中枢神经和免疫系统，头发、皮肤和骨骼组织以 及大脑、肝脏、心脏等内脏的发育和功能有重要影响。人体缺乏 铜会引起贫血，毛发异常，骨和动脉异常，甚至脑障碍。但如过 剩，会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍。铜在人体内含量约100150mg，血清铜正常值11.2g/ml ，铜是人体中含量位居第二的必需微量
3、元素。含铜的酶有酪氨酸 酶、单胺氧化酶、超氧化酶、血铜蓝蛋白等。铜对血红蛋白的形成起着活化的作用，它促进铁的吸收和利用 ，在传递电子、弹性蛋白的合成、嘌呤代谢、磷脂及神经组织形 成方面有重要意义。铜还是机体内蛋白质和酶的重要组成部分， 许多重要的酶需要微量铜的参与和活化。铜元素在机体运行中具有的作用 ：铜是人体必需的微量元素：1.5 铜摄入过量对人体的危害导致中毒，症状包括反胃、恶心、呕吐、腹泻。其它严重症状包 含血尿、黄疸、寡尿。铜摄入量超过正常摄取量的1000倍则有致命的 风险。铜摄入过量主要表现为Wilson氏征 ：铜摄入过量（64mg/d） ：会引起胆汁排泄铜的功能紊乱。组织中铜的滞留
4、，沉积于肝脏则引起慢性 活动性肝炎；沉积于脑部出现小脑性运动失常和帕金森综合征；沉积于肾 则引起肾小管中毒表现，出现蛋白尿、血尿等；沉积在角膜可在后弹力层 上出现铁锈样环。长期接触铜容器,管道或阈门,酸性食物和饮料能溶解毫克量的铜,这足以 引起恶心,呕吐和腹泻。2 土壤铜污染现状2.1 土壤中铜的来源原生次生矿物污水污泥灌溉冶炼工业制造铜在岩石圈中的含量仅次于锌，列第 26 位，含量约为 70mg/kg。地壳中铜的含量为24-55mg/kg。铜能形成多种矿物，常见原生矿物中以硫化物状 态存在，在风化的过程中这些矿物很容易溶解而 释放出铜离子。大部分土壤中，铜来自于土壤中 原生矿物和次生矿物，平
5、均 20-30mg/kg 之间。金属冶炼，工业制造，电镀工业，电子制造业等 每年会产生大量的铜污染废料。随着农业中含铜农药化肥的大量使用，以及农田 污泥施用、污水灌溉使一些地区出现土壤铜污染 的现象。2.2 土壤中铜的形态土壤中铜的存在形态一般可以分为：可交换态、碳酸盐结 合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态这些形态之间是相互联系的，在一定的条件下，它们之间还可以 互相转化，土壤的pH、铜的含量、有机质含量、氧化物形态及其含 量和植物根系都会影响到铜形态的变化。通常残渣态铜被视作无效 态，生物有效性较低，对动植物机体的影响最小。2.3 土壤铜污染的危害降低土壤生物活性和土壤肥力降低农产品
6、的产量和品质 危害人类及动物健康 研究表明，投加铜等重金属能显著降低土壤微生物生物量、微生物 呼吸强度和脱氢酶活性，尤其以脱氢酶活性指标比较有规律，该指标代 表土壤生物活性总体水平。当投加铜的浓度为允许量的 4.9 倍时土壤微 生物量减少 51%当土壤中铜含量超过一定值时，就会抑制作物生长，并导致减产。 究表明随着重金属铜等浓度的增加，作物生长量下降。高铜对农作物生 长势、微量元素含量、细胞膜透性及光合作用都有不利的影响。铜可通过食物链传递以及直接暴露危害人体健康。过量的铜将导致 人体粘膜的刺激和腐蚀，并引起中枢神经系统及肝、肾中毒。铜在人 体肝脏内大量积累，会产生名为“肝痘”的铜代谢疾病。1
7、232.4 土壤铜的环境质量标准一级标准为保护区域 自然生态、维持自然背景 的土壤环境质量的限制值 ；二级标准为保障农业 生产、维护人体健康的土 壤限制值；三级标准为保障农林 业生产和植物正常生长的 土壤临界值土壤环境 质量标准 （GB15618-1995）2.5 我国土壤铜污染现状全国土壤污染状况调查公报2005 年 4 月至 2013 年 12 月，首次全国土壤污染状况调查。调查范围为 中华人民共和国境内的陆地国土，调查点位覆盖全部耕地，部分林地、草 地、未利用地和建设用地，实际调查面积约 630 万平方公里。调查采用统一 的方法、标准，基本掌握了全国土壤环境质量的总体状况。从污染分布情况
8、看， 南方土壤污染重于北方 ；长江三角洲、珠江三 角洲、东北老工业基地 等部分区域土壤污染问 题较为突出，西南、中 南地区土壤重金属超标 范围较大；镉、汞、 砷、铅 4种无机污染物 含量分布呈现从西北到 东南、从东北到西南方 向逐渐升高的态势。2.5 我国土壤铜污染现状从图中可以看出，其中 7 个地方的总铜含量低于 国家土壤环境质量二级标 准的水平（50mg/kg）， 而海口的铜含量高于该标 准。这说明我国各地表层 土壤中铜的含量都未达到 污染的水平，而海南岛可 能受到独特的地质和气候 条件的影响，表层土壤中 铜的含量较高。总体来看，南部地区的 铜含量高于北部，西部高 于东部。2.6 土壤重金
9、属污染的特性隐蔽性不可逆性 累积性 123土壤重金属污染具有很强的隐蔽性，人们很难直观的发现 ，只有对土壤样品进行化学分析和对农作物残留物进行检测， 才能了解土壤的污染情况。相比于大气系统、水系统，在土壤系统中，重金属污染物扩 散比较慢，迁徙比较困难，这就导致重金属污染物很容易积累在 土壤中，从而引起土壤重金属超标。由于重金属在土壤中积累到一定程度时，便引起土壤结构和 功能的变化，且由于重金属很难降解。 因此，一旦污染很难恢 复原状。3土壤铜污染修复方法3.1 土壤铜污染修复法分类物理修复技术化学修复技术生物修复技术换土法、客土法、翻土 法、去表土、电解法、 热处理法化学改良剂法、化学淋 洗法
10、、化学栅法植物修复法、动物修复 法、微生物修复法3.2 各种修复方法的比较物理修复技术：化学修复技术 ：生物修复技术：优点是处理效率高、工艺简单、效果显著； 缺点是人力物力耗费较高、不能从根本上解 决污染问题。优点是处理周期较短、效率高、效果明显； 缺点是可能对植物生长和土壤肥力造成不良 影响、产生一定的二次污染问题。优点是对土壤性质影响小，治理成本低，可 以彻底去除土壤中重金属污染，另外植物修 复还起到美化环境的作用，能获得良好的社 会效益；缺点是修复周期较长。生物修复技术是目前研究最为火热且最有发展前景的方法 3.3 生物修复技术动物修复技术是指 土壤动物群（如蚯 蚓等）通过直接的 吸收、
11、转化和分解 或间接的改善土壤 理化性质，提高土 壤肥力，促进植物 和微生物的生长等 作用而修复土壤污 染的过程微生物修复法对重 金属污染物修复是 指利用土壤中某些 微生物（如藻类、 细菌、真菌等）对 重金属污染物进行 吸收、沉淀、氧化 和还原作用等，从 而降低土壤中重金 属毒性的过程植物修复技术是指 利用植物及其根际 微生物体系的物 理、化学或生物过 程来吸收、挥发、 转化、降解或固定 土壤污染物的一种 原位生物修复技术3.3 生物修复技术蚯蚓对污染土壤铜有一 定的富集能力 。以富集系 数即蚯蚓体内铜浓度与土 壤铜浓度的比值作为其富 集能力的指标 ,在 Cu2 +200 mg/kg处理培养 2
12、1d后 , 蚯蚓肠道的富集 系数为 2.65。 肠道与表 皮的富集系数都随着培养 时间的延长而增大 ,随着 污染浓度的增加而下降 。3.4 植物修复技术直接将特定植物种植在重金属污染区域，植物对土壤中污染元素有 特殊的吸收和吸附能力，直接吸收污染元素，将其从土壤中带走，达到 污染治理与生态修复的目的3.4 植物修复技术根据作用机理可将植物修复技术分为：植物提取；植物挥发；植物固化；根际过滤；植物降解利用重金属富集能力 较强的植物-超富集 植物的根系吸收污染 土壤中的重金属，转 移并储存在地上部分 ，随后收获地上部分 并集中处理。 利用植物根系分泌的 一些特殊物质使土壤 中的重金属转化为可 挥发
13、态，或者植物吸 收土壤中的重金属至 体内后将其转化为气 态物质释放到大气中 ，从而净化土壤。植物利用其自身的 机械稳定和沉淀作 用固定土壤中重金 属，降低重金属毒 性并防止其进入水 体和食物链，从而 降低对环境的污 染。植物提取植物挥发植物固化植物提取技术是目前研究最为广泛且最有发展前景的方法 4超富集植物修复作用4.1 超富集植物金属超富集植物：能够生长在重金属含量较高的土壤上，经不断生物 进化、或通过遗传/基因工程培育诱导而成的，地上部能比普通植物富 集某种重金属1000倍以上的植物。特点： 植物体内重金属浓度超 过临界值植物吸收的重金属大多 数分布在地上部分，即较 高转运系数（TF） 在
14、重金属污染土壤上生 长良好一般不发生毒害现 象 植物地上部分的铜累积量达到1000mgkg-1才能称之为铜超富集植物 目前国内外已发现的铜超富集植物并不多，主要集中于铜锌矿区和冶 炼厂废弃处4.2 超富集植物筛选方法盆栽模拟法将幼苗种植在人为添加铜污染的土壤中，室内条件下对整个生长周期观察记录，测定植物对铜的吸收特性，筛选出合适的植物 野外采样分析法通常对某一种或者某几种重金属元素具有超富集能力的植物都会大量生长在富含这些元素的土壤表层，如矿区、成矿作用带等 与生长在铜金属矿区的植物相比，盆栽中的植物被驯化时间短，有利于从植物自身机理等方面找到抗重金属的内在原因，为分子基因工程研究提供理论依据
15、迄今发现超积累植物700余种,广泛分布于约个50科,但绝大多数属于镍 超积累植物有329种,铜超积累植物37种,这些超积累植物绝大部分是在 气候温和的欧洲、美国、新西兰及澳大利亚的污染地区发现的。有的超积累 植物可同时积累多种重金属,如在37种铜的超积累植物和种30钴的超积累植 物中,有12种对铜和钴都有超积累能力,但目前还没发现哪一种植物具有广谱 的重金属超积累特性。4.3 铜超富集植物研究现状目前对于植物富集铜有过不少报道,并已发现绝大多数的铜积累和超富 集植物主要集中在唇形科、石竹科、马齿觅科、豆科、禾本科、漆树科和 马鞭草科等。发现的指示植物有酸模、女娄菜、宽叶香薷、海州香薷、小 头寥
16、等。在我国现已发现的铜矿指示植物中,一些植物中铜的含量已达到超 积累水平,表现出超积累特征,如鸭跖草、海州香薷以及蓖麻。4.4 几种铜超富集植物细胞壁是鸭跖草根中铜结合的主要位点 。而在叶中 ,铜主要分布 在含核糖核蛋白体的细胞溶质部分中, 在茎中 ,随铜浓度提高 ,铜向含 核糖核蛋白体的细胞溶质部分的分配增加。海州香薷吸收大量的铜主要分布在根部, 根系所吸收的铜主要积 累在细胞壁 ;随着铜处理时间和处理浓度增加 ,海州香薷根系和地上 部铜含量均增加, 其中根系铜含量增加更明显。运用差速离心技术分析铜在海州香薷细胞内的分布,表明细胞壁 和叶绿体是海州香薷叶中铜结合分布的主要位点 ,而细胞壁是海州 香薷根细胞中铜的主要位点 。海州香薷中含氧螯合物 ,特别是根、茎及叶细胞壁中含氧螯合 物对铜的结合钝化可能起着铜解毒的重要作用 ;而随着铜胁迫时间延 长,除了细胞壁钝化外,铜与其诱导产生的含硫螯合物结合以及 Cu2+还原可能是植物对铜解毒的主要机理 。4.5 海州香薷及鸭跖草富集铜的分布和机理分布机理4.
